Militære kjøretøyer har tradisjonelt vært laget av tunge, dyre, men høystyrke rustningsstål. Moderne keramiske komposittmaterialer brukes i økende grad som ikke-bærende beskyttelse for kampbiler. De viktigste fordelene med slike materialer er betydelig lavere kostnader, forbedret beskyttelse og vektreduksjon med mer enn halvparten. Tenk på de moderne grunnleggende keramiske materialene som brukes i dag for ballistisk beskyttelse
På grunn av sin evne til å tåle svært høye temperaturer, betydelig høyere enn for metaller, hardhet, den høyeste spesifikke styrken og spesifikke stivheten, er keramikk mye brukt for fremstilling av foringer for motorer, rakettkomponenter, verktøykanter, spesiell transparent og ugjennomsiktige skjold, som selvfølgelig er blant prioriterte områder for utvikling av militære systemer. Imidlertid bør anvendelsesområdet i fremtiden utvide seg betydelig, siden det innenfor rammen av forskning og utvikling utført i mange land i verden er på jakt etter nye måter å øke plastisitet, sprekkbestandighet og andre ønskelige mekaniske egenskaper av kombinere en keramisk base med forsterkningsfibre i den såkalte keramiske matrisen. komposittmaterialer (KMKM). Ny produksjonsteknologi vil også tillate masseproduksjon av svært holdbare, transparente produkter av høy kvalitet i komplekse former og store størrelser fra materialer som overfører synlige og infrarøde bølger. I tillegg vil etableringen av nye strukturer ved hjelp av nanoteknologi gjøre det mulig å skaffe holdbare og lette, overhetningsbestandige, kjemisk motstandsdyktige og samtidig praktisk talt uforgjengelige materialer. Denne kombinasjonen av eiendommer anses i dag som gjensidig utelukkende og dermed veldig attraktiv for militære applikasjoner.
Keramisk-matrise komposittmaterialer (KMKM)
I likhet med deres polymeranaloger består CMCer av en basestoff, kalt en matrise, og et forsterkende fyllstoff, som er partikler eller fibre av et annet materiale. Fibrene kan være kontinuerlige eller diskrete, tilfeldig orientert, lagt i presise vinkler, sammenflettet på en spesiell måte for å oppnå økt styrke og stivhet i gitte retninger, eller jevnt fordelt i alle retninger. Uansett hvilken kombinasjon av materialer eller fiberorientering som er, er imidlertid bindingen mellom matrisen og den forsterkende komponenten avgjørende for materialets egenskaper. Siden polymerer er mindre stive enn materialet som forsterker dem, er bindingen mellom matrisen og fibrene vanligvis sterk nok til at materialet kan motstå bøyning som helhet. Når det gjelder CMCM, kan imidlertid matrisen være stivere enn forsterkningsfibrene, slik at bindingskraften, på samme måte optimalisert for å tillate liten delokalisering av fiberen og matrisen, bidrar til å absorbere slag energi, for eksempel og forhindre utvikling av sprekker som ellers ville føre til sprø ødeleggelse og splittelse. Dette gjør CMCM mye mer viskøs i forhold til ren keramikk, og dette er den viktigste egenskapen til høyt belastede bevegelige deler, for eksempel deler av jetmotorer.
Lette og varme turbinblad
I februar 2015 kunngjorde GE Aviation vellykkede forsøk på det den kaller "verdens første ikke-statiske CMC-sett for en flymotor", selv om selskapet ikke avslørte materialene som ble brukt til matrisen og forsterkningsmaterialet. Vi snakker om lavtrykksturbinblader i en eksperimentell modell av F414-turbofanmotoren, hvis utvikling er ment å gi ytterligere bekreftelse på at materialet er i samsvar med de deklarerte kravene for drift ved høye sjokkbelastninger. Denne aktiviteten er en del av Adaptive Engine Technology Demonstrator (AETD) Next Generation Self-Adaptive Engine Demonstration Program, der GE samarbeider med US Air Force Research Laboratory. Målet med AETD-programmet er å tilby viktige teknologier som kan implementeres i motorer til sjettegenerasjons jagerfly og fra midten av 2020-tallet i motorer til femte generasjons fly, for eksempel F-35. Adaptive motorer vil kunne justere trykkstigningen og bypass -forholdet under flyging for å oppnå maksimal skyvekraft under start og i kamp, eller maksimal drivstoffeffektivitet i cruise -flymodus.
Selskapet understreker at introduksjonen av roterende deler av CMC i de "heteste og mest belastede" delene av en jetmotor representerer et betydelig gjennombrudd, siden teknologien tidligere tillot bruk av CMC bare for produksjon av stasjonære deler, for eksempel en høytrykks turbinhylster. Under testene gikk KMKM -turbinebladene i F414 -motoren gjennom 500 sykluser - fra tomgangshastighet til start og skyvekjøring.
Turbinbladene er mye lettere enn konvensjonelle nikkellegeringsblader, noe som gjorde at metallskivene de er festet til kunne være mindre og lettere, sa selskapet.
- Skiftet fra nikkellegeringer til roterende keramikk inne i motoren er et veldig stort sprang fremover. Men det er ren mekanikk, sier Jonathan Blank, sjef for CMC og polymerbindere hos GE Aviation. - Lettere kniver skaper mindre sentrifugalkraft. Dette betyr at du kan krympe skive, lagre og andre deler. KMKM gjorde det mulig å gjøre revolusjonerende endringer i utformingen av en jetmotor”.
Målet med AETD -programmet er å redusere spesifikt drivstofforbruk med 25%, øke flyvningen med mer enn 30% og øke maksimal skyvekraft med 10% sammenlignet med de mest avanserte 5. generasjon jagerfly. "En av de største utfordringene ved å flytte fra statiske CMC -komponenter til roterende komponenter er spenningsfeltet de må operere i," sa Dan McCormick, programleder for Advanced Combat Engine hos GE Aviation. Samtidig la han til at testing av F414 -motoren ga viktige resultater som vil bli brukt i den adaptive syklusmotoren. “Et lavtrykks-CMC-turbinblad veier tre ganger mindre enn metallbladet det erstatter, i tillegg er det i den andre økonomiske modusen ikke nødvendig å kjøle CMC-bladet med luft. Bladet vil nå bli mer aerodynamisk effektivt, da det ikke er nødvendig å pumpe all denne kjøleluften gjennom den."
KMKM -materialer, der selskapet sier at de har investert mer enn en milliard dollar siden det begynte å jobbe med dem på begynnelsen av 90 -tallet, tåler temperaturer hundrevis av grader høyere enn tradisjonelle nikkellegeringer og kjennetegnes av silisiumkarbidfiberarmering i en keramisk matrise., som øker slagstyrken og sprekkmotstanden.
GE ser ut til å ha gjort et ganske hardt arbeid med disse turbinbladene. Noen av de mekaniske egenskapene til KMKM er faktisk veldig beskjedne. For eksempel er strekkfastheten sammenlignbar med strekkfastheten til kobber og billige aluminiumslegeringer, noe som ikke er veldig bra for deler som utsettes for store sentrifugalkrefter. I tillegg viser de en lav belastning ved brudd, det vil si at de forlenges veldig svakt ved brudd. Imidlertid ser det ut til at disse manglene er overvunnet, og den lave vekten av disse materialene ga definitivt et viktig bidrag til seieren til den nye teknologien.
Modulær rustning med nanoceramikk for LEOPARD 2 -tanken
Bidrag til sammensatt rustning
Selv om beskyttelsesteknologier, som er en kombinasjon av metalllag, fiberforsterkede polymerkompositter og keramikk, er veletablerte, fortsetter industrien å utvikle stadig mer komplekse komposittmaterialer, men mange av detaljene i denne prosessen er nøye skjult. Morgan Advanced Materials er godt kjent på feltet, og kunngjorde en pris på Armored Vehicles XV -konferansen i London i fjor for sin SAMAS -forsvarsteknologi. I følge Morgan er SAMAS-beskyttelsen som er mye brukt på kjøretøyer fra den britiske hæren et komposittmateriale forsterket med materialer som S-2 Glass, E-Glass, aramid og polyetylen, deretter formet til ark og herdet under høyt trykk: "Fiber kan kombineres med hybrid keramiske metallmaterialer for å oppfylle spesielle design- og ytelseskrav."
I følge Morgan kan SAMAS rustning med en total tykkelse på 25 mm, som brukes til fremstilling av beskyttende kapsler til mannskapet, redusere vekten på lettbeskyttede kjøretøyer med mer enn 1000 kg sammenlignet med kjøretøyer med en stålkapsel. Andre fordeler inkluderer enklere reparasjoner med mindre enn 5 mm tykkere tykkelser og materialets iboende spellforingsegenskaper.
Eksplisitt spinellfremgang
Ifølge US Navy Research Laboratory blomstrer utviklingen og produksjonen av transparente materialer basert på magnesiumaluminiumoksid (MgAI2O4), også kjent som kunstige spineller. Spineller har lenge vært kjent ikke bare for sin styrke - 0,25 "tykk spinel har de samme ballistiske egenskapene som 2,5" skuddsikkert glass - men også vanskeligheten med å lage store deler med jevn gjennomsiktighet. Imidlertid har en gruppe forskere fra dette laboratoriet oppfunnet en ny prosess for sintring ved lav temperatur i et vakuum, som lar deg få deler med dimensjoner begrenset av pressens størrelse. Dette er et stort gjennombrudd sammenlignet med tidligere produksjonsprosesser, som begynte med prosessen med å smelte det originale pulveret i en smeltedigel.
En av hemmelighetene til den nye prosessen er den jevne fordelingen av litiumfluorid (LiF) sintringsadditiv, som smelter og smører spinellkornene slik at de kan fordeles jevnt under sintring. I stedet for tørrblanding av litiumfluorid og spinellpulver, har laboratoriet utviklet en metode for jevn belegg av spinellpartiklene med litiumfluorid. Dette lar deg redusere forbruket av LiF betydelig og øke lysgjennomstrømningen med opptil 99% av den teoretiske verdien i de synlige og mellominfrarøde områdene i spekteret (0,4-5 mikrometer).
Den nye prosessen, som muliggjør produksjon av optikk i forskjellige former, inkludert ark som passer godt til vingene på et fly eller en drone, har blitt lisensiert av et ikke navngitt selskap. Mulige bruksområder for spinel inkluderer panserglass som veier mindre enn halvparten av eksisterende glass, beskyttelsesmasker for soldater, optikk for neste generasjons lasere og multispektrale sensorbriller. Ved masseproduserende for eksempel sprekkresistente briller for smarttelefoner og nettbrett, vil kostnaden for spinellprodukter redusere betydelig.
PERLUCOR - en ny milepæl innen beskyttelse mot kuler og slitasje
CeramTec-ETEC utviklet PERLUCOR gjennomsiktig keramikk for noen år siden med gode utsikter for både forsvar og sivile applikasjoner. De utmerkede fysiske, kjemiske og mekaniske egenskapene til PERLUCOR var hovedårsakene til vellykket markedsføring av dette materialet.
PERLUCOR har en relativ gjennomsiktighet på over 90%, er tre til fire ganger sterkere og hardere enn vanlig glass, varmebestandigheten til dette materialet er omtrent tre ganger høyere, noe som gjør at det kan brukes ved temperaturer opp til 1600 ° C, det er også har en ekstremt høy kjemisk motstand, dette gjør det mulig å bruke den med konsentrerte syrer og alkalier. PERLUCOR har en høy brytningsindeks (1, 72), som gjør det mulig å produsere optiske objekter og optiske elementer av miniatyrdimensjoner, det vil si å skaffe enheter med kraftig forstørrelse, som ikke kan oppnås med polymerer eller glass. PERLUCOR keramiske fliser har en standardstørrelse på 90x90 mm; CeramTec-ETEC har imidlertid utviklet en teknologi for produksjon av kompleksformede ark basert på dette formatet i henhold til kundespesifikasjoner. Tykkelsen på panelene kan i spesielle tilfeller være tideler av en millimeter, men som regel er den 2-10 mm.
Utviklingen av lettere og tynnere systemer med gjennomsiktig beskyttelse for forsvarsmarkedet går raskt. Et betydelig bidrag til denne prosessen er gitt av den gjennomsiktige keramikken til SegamTes -selskapet, som er en del av beskyttelsessystemene til mange produsenter. Ved test i henhold til STANAG 4569 eller APSD er vektreduksjonen i størrelsesorden 30-60 prosent.
De siste årene har en annen retning i utviklingen av teknologier utviklet av SegatTes-ETEC fått form. Bilvinduer, spesielt i steinete og ørkenområder som Afghanistan, er utsatt for steinslag og riper fra bevegelse av viskerblad på en sandete, støvete frontrute. Dessuten reduseres de ballistiske egenskapene til skuddresistente briller som har blitt skadet av steintreff. Under fiendtlighetene blir biler med skadet glass utsatt for alvorlig og uforutsigbar risiko. SegamTes-ETEC har utviklet en virkelig innovativ og original løsning for å beskytte glass mot denne typen slitasje. Et tynt lag (<1 mm) av PERLUCOR keramisk belegg på frontruten hjelper til med å motstå slike skader. Denne beskyttelsen er også egnet for optiske instrumenter som teleskoper, linser, infrarødt utstyr og andre sensorer. De flate så vel som buede linsene av PERLUCOR klar keramikk forlenger levetiden til dette svært verdifulle og følsomme optiske utstyret.
CeramTec-ETEC presenterte vellykket et skuddsikkert glassdørpanel og et ripe- og steinbestandig beskyttelsespanel på DSEI 2015 i London.
Slitesterk og fleksibel nanoceramic
Fleksibilitet og spenst er ikke kvaliteter som ligger i keramikk, men et team av forskere ledet av professor i materialvitenskap og mekanikk Julia Greer fra California Institute of Technology tok opp problemet. Forskerne beskriver det nye materialet som "tøffe, lette, regenererbare tredimensjonale keramiske nanolatter." Dette er imidlertid det samme navnet på en artikkel publisert av Greer og hennes studenter i et vitenskapelig tidsskrift for et par år siden.
Det som er skjult under, illustreres best av en kube av aluminiumoksid -nanol som er flere titalls mikron i størrelse, tatt med et elektronmikroskop. Under belastningen krymper den med 85%, og når den fjernes, blir den gjenopprettet til sin opprinnelige størrelse. Det ble også utført eksperimenter med gitter bestående av rør med forskjellig tykkelse, med de tynneste rørene som var de sterkeste og mest elastiske. Med en rørveggtykkelse på 50 nanometer kollapset gitteret, og med en veggtykkelse på 10 nanometer kom den tilbake til sin opprinnelige tilstand - et eksempel på hvordan størrelseseffekten øker styrken til noen materialer. Teorien forklarer dette med det faktum at med en nedgang i størrelse, reduseres antallet feil i bulkmaterialer proporsjonalt. Med denne arkitekturen av gitteret til hule rør, er 99,9% av volumet på kuben luft.
Professor Greers team lager disse små strukturene ved å kjøre en prosess som ligner på 3D -utskrift. Hver prosess begynner med en CAD -fil som driver to lasere som "maler" strukturen i tre dimensjoner, herder polymeren på punkter der bjelkene forsterker hverandre i fase. Den uherdede polymer strømmer ut av det herdede rutenettet, som nå blir substratet for å danne den endelige strukturen. Forskerne bruker deretter aluminiumoksyd på underlaget ved hjelp av en metode som nøyaktig kontrollerer tykkelsen på belegget. Til slutt blir endene på gitteret kuttet for å fjerne polymeren, slik at det bare blir krystallgitteret av hule aluminiumoksydrør.
Styrke av stål, men veier som luft
Potensialet til slike "konstruerte" materialer, som for det meste er luft etter volum, men desto mindre sterkt som stål, er enormt, men vanskelig å forstå, så professor Greer ga flere slående eksempler. Det første eksemplet, ballonger som helium pumpes ut fra, men samtidig beholder formen. Det andre, fremtidige flyet, hvis design veier like mye som den manuelle modellen veier. Mest overraskende, hvis den berømte Golden Gate -broen var laget av slike nanolgitter, kunne alt materialet som trengs for konstruksjonen plasseres (unntatt luft) på en menneskelig håndflate.
Akkurat som de enorme strukturelle fordelene med disse tøffe, lette og varmebestandige materialene som er egnet for utallige militære applikasjoner, kan deres forhåndsbestemte elektriske egenskaper revolusjonere energilagring og generering: “Disse nanostrukturer er veldig lette, mekanisk stabile og samtidig enorme i størrelse. overflater, det vil si at vi kan bruke i en rekke applikasjoner av den elektrokjemiske typen."
Disse inkluderer ekstremt effektive elektroder for batterier og brenselceller, de er et verdsatt mål for autonome strømforsyninger, bærbare og transportable kraftverk, samt et reelt gjennombrudd innen solcelleteknologi.
"Fotoniske krystaller kan også navngis i denne forbindelse," sa Greer. "Disse strukturene lar deg manipulere lys på en slik måte at du helt kan fange det, noe som betyr at du kan gjøre mye mer effektive solceller - du fanger alt lyset og du har ikke noe refleksjonstap."
"Alt dette tyder på at kombinasjonen av størrelseseffekten i nanomaterialer og strukturelle elementer tillater oss å lage nye materialklasser med egenskaper som ikke har vært oppnåelige," sa professor Greer ved European Organization for Nuclear Research i Sveits. "Den største utfordringen vi står overfor er hvordan vi skalere opp og flytte fra nano til størrelsen på vår verden."
Industriell gjennomsiktig keramisk beskyttelse
IBD Deisenroth Engineering har utviklet en gjennomsiktig keramisk rustning med ballistisk ytelse som kan sammenlignes med ugjennomsiktig keramisk rustning. Denne nye gjennomsiktige rustningen er omtrent 70% lettere enn panserglass og kan settes sammen til strukturer med samme multi-impact-egenskaper (evne til å tåle flere treff) som ugjennomsiktig rustning. Dette tillater ikke bare å dramatisk redusere massen av kjøretøyer med store vinduer, men også å lukke alle ballistiske hull.
For å oppnå beskyttelse i henhold til STANAG 4569 nivå 3, har det skuddsikre glasset en overflatetetthet på omtrent 200 kg / m2. Med et typisk vindusareal på en lastebil på tre kvadratmeter vil massen på de skuddsikre brillene være 600 kg. Ved bytte av slike skuddsikre glass med IBD -keramikk vil vektreduksjonen være mer enn 400 kg. Gjennomsiktig keramikk fra IBD er en videreutvikling av IBD NANOTech keramikk. IBD har lykkes med å utvikle spesielle limingsprosesser som brukes til å montere keramiske fliser ("mosaikk gjennomsiktig rustning") og deretter laminere disse sammen til sterke strukturelle lag for å danne store vinduspaneler. På grunn av de enestående egenskapene til dette keramiske materialet, er det mulig å produsere gjennomsiktige rustningspaneler med en betydelig lavere vekt. Støtten, i kombinasjon med det naturlige NANO-fiberlaminatet, forbedrer ytterligere den ballistiske ytelsen til den nye gjennomsiktige beskyttelsen på grunn av dens større energiabsorbering.
Det israelske selskapet OSG (Oran Safety Glass), som reagerer på økende nivåer av ustabilitet og spenning rundt om i verden, har utviklet et bredt spekter av skuddsikre glassprodukter. De er spesielt designet for forsvars- og sivilsektoren, militæret, paramilitærene, høyrisiko sivile yrker, bygge- og bilindustrien. Selskapet markedsfører følgende teknologier til markedet: gjennomsiktige beskyttelsesløsninger, ballistiske beskyttelsesløsninger, ytterligere avanserte gjennomsiktige rustningssystemer, digitale visuelle vinduer, nødutgangsvinduer, keramiske vinduer med fargeskjermteknologi, integrerte indikatorlyssystemer, støtsikre glassskjermesteiner, og til slutt, ADI anti-splinter teknologi.
OSG -transparente materialer testes stadig i virkelige situasjoner: frastøte fysiske og ballistiske angrep, redde liv og beskytte eiendom. Alle pansrede gjennomsiktige materialer er laget i samsvar med store internasjonale standarder.
